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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für
ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftfahrzeugscheinwerfer,
die mindestens eine Halbleiterlichtquelle (sog. Light Emitting Diode;
LED) umfasst. Außerdem betrifft die Erfindung ein Steuergerät
zur Steuerung und/oder Regelung einer solchen Beleuchtungseinrichtung
für ein Kraftfahrzeug.
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Eine
derartige Beleuchtungseinrichtung ist bereits aus dem Stand der
Technik bekannt. Die Druckschrift
DE 100 09 782 A1 verweist auf eine Beleuchtungseinrichtung,
die mehrere Halbleiterlichtquellen aufweist und für unterschiedliche
Signalfunktionen oder als Scheinwerfer verwendet werden kann.
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Halbleiterlichtquellen
sind während ihrer Lebensdauer physikalischen Änderungen
unterworfen. Aufgrund von Alterserscheinungen sinkt bei ihnen mit zunehmender Betriebsdauer
der insgesamt emittierte Lichtstrom. Andererseits führt
der technische Fortschritt in der Halbleitertechnik zu effizienteren
Halbleiterlichtquellen, die bei gleicher Leistungsaufnahme einen
größeren Lichtstrom emittieren. Aus diesem Grund
werden über die mehrjährige Produktionsdauer von
LED-Beleuchtungseinrichtungen immer effizientere LEDs hergestellt.
Die ursprünglichen LEDs, für die die Beleuchtungseinrichtung
ursprünglich ausgelegt und zugelassen worden ist, sind
nach einigen Jahren nicht mehr erhältlich. Das kann dazu
führen, dass eine gegen Ende eines Produktionszyklus hergestellte
Beleuchtungseinrichtung wesentlich heller leuchtet als eine zu Beginn
produzierte Beleuchtungseinrichtung. Für Beleuchtungseinrichtungen von
Kraftfahrzeuge sind jedoch aus Gründen der Verkehrssicherheit
oftmals Grenzwerte spezifiziert, die von den Beleuchtungseinrichtungen über
ihren gesamten Produktionszyklus eingehalten werden müssen.
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Die
DE 103 29 367 A1 betrifft
eine LED-Kette mit mehreren in Reihe geschalteten LEDs, wobei im Pfad
der LED-Kette eine Konverterschaltung vorgesehen ist, die unabhängig
von äußeren Einflussgrößen bspw.
der Umgebungstemperatur einen vorgegebenen Strom durch die LED-Kette
einprägt. Mit zunehmendem Alter der LEDs nimmt der durch
die LED-Kette fließende Strom ab, was durch die Konverterschaltung
kompensiert wird. Die Konverterschaltung sorgt also für
einen stets konstanten Versorgungsstrom durch die LED-Kette. Dabei
wird die gewünschte Ausgangshelligkeit, das heißt
der gewünschte LED-Versorgungsstrom beispielsweise mittels
eines Potentiometers eingestellt. Die Konverterschaltung ist also
hinsichtlich des von der LED-Kette emittierten Lichtstroms auf einen
bestimmten LED-Typ ausgelegt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass
gegen Ende des Produktionszyklus der bekannten Beleuchtungseinrichtung,
wenn effizientere LEDs verbaut werden müssen, da andere LEDs
nicht mehr am Markt erhältlich sind, die Ausgangshelligkeit
der Beleuchtungseinrichtung ansteigt. Folglich muss die Helligkeit
bspw. mittels eines Potentiometers reduziert und der entsprechende
Versorgungsstrom neu eingestellt werden.
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Ausgehend
von dem beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinrichtung mit zumindest
einer Halbleiterlichtquelle zu schaffen, die insbesondere unabhängig
von einer durch technische Weiterentwicklung erzielten Zunahme des Lichtstroms
bei gleichbleibender Leistungsaufnahme der Halbleiterquellen automatisch
einen vorgebbaren konstanten Lichtstrom emittiert.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von der Beleuchtungseinrichtung
der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die Beleuchtungseinrichtung
Mittel aufweist, um den von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandten
Gesamt-Lichtstrom unabhängig vom Typ der in der Beleuchtungseinrichtung
eingesetzten mindestens einen Halbleiterlichtquelle, insbesondere
unabhängig von dem von der mindestens einen Halbleiterlichtquelle
ausgesandten Nenn-Lichtstrom, auf einem vorgebbaren Wert konstant
zu halten.
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Als
Mittel zur automatischen Anpassung des Lichtstroms auf einen vorgegebenen
Wert sind vorzugsweise ein Mikroprozessor und bei Bedarf auch ein
Filterelement beziehungsweise ein optisches Element in einen Regelkreis
eingebunden. Der Mikroprozessor steuert beziehungsweise regelt den
von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandten Gesamt-Lichtstrom,
so dass unabhängig von dem Typ der verwendeten Halbleiterlichtquellen
ein konstanter Gesamt- Lichtstrom ausgesandt wird. Der Prozessor kann
bei Bedarf die Versorgungsstromzufuhr an effizientere Halbleiterlichtquellen
anpassen, um den resultierenden Lichtstrom zu reduzieren und eine
gewünschte Lichtstromemission zu erreichen. Zu diesem Zweck
kann jedoch auch ein in den Strahlengang der Beleuchtungseinrichtung
eingebrachtes Filterelement oder optisches Element eingesetzt werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen,
dass die Beleuchtungseinrichtung mindestens einen Sensor zum Erfassen
zumindest eines Teils des von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandten
Gesamt-Lichtstroms und eine Verstelleinrichtung zum Verstellen von
am Aussenden der Lichtverteilung der Beleuchtungseinrichtung mit
dem Gesamt-Lichtstrom beteiligten Komponenten der Beleuchtungseinrichtung aufweist,
so dass der von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandte Gesamt-Lichtstrom
dem vorgebbaren Wert entspricht. Dabei dient der Sensor nicht nur
zur einmaligen Kalibrierung der Schaltung. Vielmehr kann er während
der gesamten Lebensdauer der Beleuchtungseinrichtung permanent oder
zu bestimmten Zeitpunkten zumindest einen Teil des ausgestrahlten
Gesamt-Lichtstroms erfassen. Auf der Basis der Sensormesswerte kann
der Mikroprozessor den emittierten Gesamt-Lichtstrom beispielsweise über
den Versorgungsstrom, der durch die Halbleiterlichtquellen fließt,
einstellen. Außerdem kann der Gesamt-Lichtstrom auch mit
Hilfe zusätzlicher Komponenten im Strahlengang des von
den Halbleiterlichtquellen ausgesandten Lichts, zum Beispiel durch ein
Filterelement oder ein optisches Element, beeinflusst werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen,
dass der Sensor als ein Optoelektrowandler ausgebildet ist. Hierbei handelt
es sich zum Beispiel um eine Fotodiode, die in Abhängigkeit
eines erfassten Lichtstroms einen entsprechenden elektrischen Ausgangsstrom
erzeugt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung verändert
die Verstelleinrichtung die über die Zeit betrachtet mittlere
Leistungsaufnahme der verwendeten Halbleiterlichtquellen derart,
dass der von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandte Gesamt-Lichtstrom
dem vorgebbaren Wert entspricht. Es wird vorgeschlagen, dass die
Verstelleinrichtung die mittlere Leistungsaufnahme der verwendeten
Halbleiterlichtquellen durch Variation des Versorgungsstroms der
Halbleiterlichtquellen anpasst. Dies geschieht vorzugsweise durch
einen gepulsten Betrieb der Halbleiterlichtquellen. Dabei wird der
Versorgungsstrom ständig zwischen einem Minimalwert (z.
B. Null Ampere) auf einen Maximalwert (z. B. Nennstrom) umgeschaltet.
Da Halbleiterlichtquellen sehr reaktionsschnell sind, eignen sie
sich für den Betrieb mittels Pulsweitenmodulation (PWM)
besonders gut. Ein Vorteil, der sich aus dem Betrieb mittels einer
gepulsten Stromzufuhr ergibt, besteht darin, dass die Lichtfarbe
der angesteuerten Halbleiterlichtquellen gleich bleibt, was bei
einer Verringerung des Stroms auf einen niedrigeren Wert nicht gegeben wäre.
Bei einem PWM-Betrieb werden die LEDs ständig zwischen
Nennbetrieb und einem vollständig ausgeschaltetem Zustand
hin- und hergeschaltet.
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Außerdem
ermöglicht die Pulsweitenmodulation die Anpassung der Stromzufuhr
an eine aufgrund des technischen Fortschritts erhöhte Effizienz der
LEDs, insbesondere wenn während des Produktlebenszeitraums
der Beleuchtungseinrichtung in neu gefertigten Beleuchtungseinrichtungen
effizientere LEDs eingebaut werden. Vorteilhafterweise kann mittels
der Pulsweitenmodulation auch eine niedrigere mittlere Stromzufuhr
realisiert werden, insbesondere wenn sich der Strom nicht beliebig
reduzieren lässt (bspw. weil die LEDs für einen
ordnungsgemäßen Betrieb einen Nennstrom benötigen).
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Gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung ist im Strahlengang eines von
zumindest einem Teil der verwendeten Halbleiterlichtquellen ausgesandten
Strahlenbündels mindestens ein Filterelement zur Reduzierung
des Lichtstrom auf den vorgebbaren Wert des von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandten
Gesamt-Lichtstroms angeordnet. Auch das Filterelement ermöglicht
die Anpassung, insbesondere die Reduzierung, des Gesamt-Lichtstroms
der Beleuchtungseinrichtung an den vorgegebenen Sollwert. Die Anpassung
des Gesamt-Lichtstroms mittels Filterelement kann unabhängig
davon erfolgen, ob der Versorgungsstrom für die Halbleiterlichtquellen
seinerseits an Halbleiterlichtquellen eines bestimmten Typs angepasst
wird oder nicht. Das Filterelement kann also alleine oder in Kombination mit
einer auf die jeweiligen LEDs abgestimmten Versorgungsstromzufuhr
wirken.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen,
dass die Verstelleinrichtung die Effizienz eines im Strahlengang
des von den verwendeten Halbleiterlichtquellen ausgesandten Strahlenbündels
angeordneten, zur Variation des Absorptionsgrads elektrisch ansteuerbaren Filterelements
derart variiert, dass der von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandte
Gesamt-Lichtstrom dem vorgebbaren Wert entspricht. Das Filterelement
ermöglicht bspw. abhängig von einer angelegten
Spannung die Absorption eines Teils des von den Halbleiterlichtquellen ausgesandten
Lichtstroms.
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Halbleiterlichtquellen
können hinsichtlich ihres emittierten Lichtstroms in abgestufte
Klassen, so genannte Bins, unterteilt werden. Unter einem Lichtstrom-Bin
wird somit eine Klasse verstanden, der eine Lichtquelle gemäß ihrem
emittierten Lichtstrom zugeordnet werden kann. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
die Beleuchtungseinrichtung eine Verstelleinrichtung zur Variation
der Effizienz des Filterelements in Abhängigkeit eines
Lichtstrom-Bin aufweist, dem die verwendeten Halbleiterlichtquellen
zugeordnet sind. Die Verstelleinrichtung ermöglicht somit
einen an die jeweilige Klasse der Lichtstroms der eingesetzten Halbleiterlichtquellen
angepassten Betrieb der Beleuchtungseinrichtung, so dass der ausgesandte
Gesamt-Lichtstrom stets im Bereich des vorgebbaren Werts gehalten
wird.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
sind der Sensor und die Verstelleinrichtung Teil eines geschlossenen
Regelkreises, welcher den von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandten
Gesamt-Lichtstrom auf den vorgegebenen Wert regelt.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine der
verwendeten Halbleiterlichtquellen zwischen einem Betrieb als Leuchtdiode
und einem Betrieb als Fotodiode umschaltbar, wobei die Halbleiterlichtquelle
im Fotodiodenbetrieb zumindest einen Teil des von mindestens einer
anderen verwendeten Halbleiterlichtquelle ausgesandten Lichtstroms erfasst.
Die Doppelfunktion bestimmter Halbleiterlichtquellen als Leuchtdiode
und Fotodiode führt zu einer Reduzierung der Anzahl der
Dioden einschließlich der zugehörigen elektronischen
Bauelemente und Schaltungsteile und kann dadurch eine Kosteneinsparung
bewirken.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist im Strahlengang eines
von zumindest einem Teil der verwendeten Halbleiterlichtquellen ausgesandten
Strahlenbündels mindestens ein optisches Element angeordnet.
Vorteilhafterweise ist das optische Element als eine Vorsatzoptik,
insbesondere als eine Projektionslinse, der Beleuchtungseinrichtung
ausgebildet. Allein durch Anpassen der optischen Eigenschaften der
Projektionslinse kann der von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandte
Gesamt-Lichtstrom trotz effizienteren Leuchtdioden konstant gehalten
werden. Zur Reduzierung der Effizienz der Beleuchtungseinrichtung
kann das optische Element auf unterschiedliche Weise behandelt sein.
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So
wird beispielsweise vorgeschlagen, dass das optische Element zur
Reduzierung des Lichtstroms auf den vorgebbaren Wert des von der
Beleuchtungseinrichtung ausgesandten Gesamt-Lichtstroms zumindest
bereichsweise eingefärbt ist. Als eine andere Ausführungsform
wird vorgeschlagen, dass das optische Element zur Reduzierung des Lichtstroms
auf den vorgebbaren Wert des von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandten
Gesamt-Lichtstroms zumindest bereichsweise mattiert ist. Schließlich
wird als eine weitere Ausführungsform vorgeschlagen, dass
das optische Element zur Reduzierung des Lichtstroms auf den vorgebbaren
Wert des von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandten Gesamt-Lichtstroms
zumindest bereichsweise lackiert ist. Das optische Element kann
also in Form einer entsprechend eingefärbten, mattierten
oder lackierten Projektionslinse einen Teil des von den Halbleiterlichtquellen
erzeugten Lichtstroms abschirmen oder absorbieren, so dass selbst
beim Einsatz effizienterer LEDs der vorgegebenen Wert des Gesamt-Lichtstrom
eingehalten werden kann.
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Als
eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird
vorgeschlagen, dass ein Abstand der Halbleiterlichtquellen zu dem
optischen Element zur Reduzierung des Lichtstroms auf den vorgebbaren
Wert des von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandten Gesamt-Lichtstroms
variiert, insbesondere vergrößert ist. Indem der
Abstand zwischen Halbleiterlichtquellen und optischen Element verändert
wird, variiert auch der durch das optische Element durchtretende
Lichtstrom und damit der von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandten
Gesamt-Lichtstrom. Wird der Abstand beispielsweise vergrößert,
so verringert sich der Anteil des Lichts, der durch das optische
Element hindurchtritt.
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Schließlich
wird zur Lösung der Aufgabe ausgehend von dem Steuergerät
der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass das Steuergerät Mittel
zur Regelung des von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandten Gesamt-Lichtstroms
abhängig vom Typ der in der Beleuchtungseinrichtung eingesetzten
mindestens einen Halbleiterlichtquelle, insbesondere abhängig
von dem von der mindestens einen Halbleiterlichtquelle ausgesandten
Nenn-Lichtstrom, auf einen vorgegebenen konstanten Wert aufweist.
Somit kann das Steuergerät den Gesamt-Lichtstrom auf einen
konstanten Wert regeln, und zwar unabhängig von den elektrischen
Eigenschaften der verwendeten Halbleiterlichtquellen, insbesondere
unabhängig von der Klasse des Lichtstroms der eingesetzten
Halbleiterlichtquellen.
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Nachfolgend
werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
als Projektionssystem ausgebildete erfindungsgemäße
Beleuchtungseinrichtung gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform in einer Seitenansicht;
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2 ein
Blockschaltbild eines Regelungssystems der erfindungsgemäßen
Beleuchtungseinrichtung;
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3 eine
als Projektionssystem ausgebildete erfindungsgemäße
Beleuchtungseinrichtung mit einem Filterelement in einer Seitenansicht;
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4 eine
als Reflexionssystem ausgebildete erfindungsgemäße
Beleuchtungseinrichtung mit einem Filterelement in einer Seitenansicht;
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5 eine
als Projektionssystem ausgebildete erfindungsgemäße
Beleuchtungseinrichtung mit einem anderen Filterelement in einer
Seitenansicht;
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6 eine
als Projektionssystem ausgebildete erfindungsgemäße
Beleuchtungseinrichtung mit einer Projektionslinse in einer Seitenansicht;
und
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7 eine
als Projektionssystem ausgebildete erfindungsgemäße
Beleuchtungseinrichtung mit einer Projektionslinse mit vergrößertem
Abstand zum Reflektor in einer Seitenansicht.
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Die
erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung umfasst
Scheinwerfer und Leuchten, insbesondere Rückleuchten, für
Kraftfahrzeuge. In 1 ist als Beispiel für
eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung
ein Projektionssystem (sog. Poly-Ellipsoid-System; PES) dargestellt,
das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet
ist. Die Beleuchtungseinrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2,
das eine durch eine Abdeckscheibe 9 verschlossene Lichtaustrittsöffnung
aufweist. In dem Gehäuse 2 ist ein Reflektor 3 angeordnet,
der vorzugsweise eine Rotationsellipsoidform oder eine davon abweichende Freiform
aufweist. Der Reflektor 3 ist aus Kunststoff oder Metall,
beispielsweise aus Metalldruckguss, gefertigt. Bei einer Herstellung
aus Kunststoff ist zumindest im Bereich der Reflexionsfläche
auf der Innenseite des Reflektors 3 eine reflektierende
Beschichtung aufgebracht. Im Inneren des Reflektors 3 ist
eine Lichtquelle 5 umfassend eine oder mehrere Halbleiterlichtquellen
(sog. Licht Emitting Diodes; LEDs) angeordnet. Mehrere LEDs 5 sind
vorzugsweise matrixartig neben- und/oder übereinander angeordnet. Die
LEDs dienen zum Aussenden von Licht, vorzugsweise in einem für
das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich. Es
ist aber auch denkbar, dass eine oder mehrere der LEDs unsichtbare
Strahlung aussendet, bspw. IR- oder UV-Strahlung.
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Die
Halbleiterlichtquellen 5 sind vorzugsweise im Bereich eines
ersten Brennpunkts F1 des Reflektors 3 angeordnet.
Das von den Halbleiterlichtquellen 5 ausgesandte Licht
wird an der Reflexionsfläche des Reflektors 3 reflektiert.
Dabei gelangen die Lichtstrahlen beispielsweise über eine
in einem zweiten Brennpunkt F2 des Reflektors 3 angeordnete Blende 4 zu
einer Projektionslinse 11. Die Projektionslinse 11 bündelt
das durch sie hindurchtretende Licht, so dass es in Lichtaustrittsrichtung
durch die Abdeckscheibe 9 aus dem Scheinwerferaustritt
und in einem bestimmten Abstand zum Fahrzeug auf die Straße
projiziert wird. Dabei wird eine Oberkante der Blende 4 durch
die Linse 9 als Helldunkelgrenze der Lichtverteilung abgebildet.
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Ein
solcher mit LEDS 5 versehener Projektionsscheinwerfer 1 wird
in aller Regel über einen Zeitraum von mehreren Jahren
produziert. In diesem Zeitraum kann es zu einer deutlichen Effizienzsteigerung
der Halbleiterlichtquellen 5 kommen. Das bedeutet, dass
LEDs 5, die einige Jahre nach dem Produktionsstart des
Scheinwerfers 1 hergestellt und vertrieben werden, zwar
die gleichen elektrische Spezifikation (z. B. Betriebsspannung,
Nennstrom, etc.) haben, jedoch bei gleichem Strom einen deutlich
größeren Lichtstrom aussenden als die noch bei Produktionsstart
verfügbaren LEDs 5. Zum Zeitpunkt des Produktionsstarts
wurde der Scheinwerfer auf die damals verfügbaren LEDS
ausgelegt und auch entsprechend zugelassen. Bei Verwendung von effizienteren
LEDs 5 kann es zu einer Überschreitung der gesetzlichen
Vorgaben hinsichtlich Beleuchtungsstärke der von dem Scheinwerfer
erzeugten Lichtverteilung kommen. Deshalb dürfen für
den Scheinwerfer 1 nicht einfach effizientere LEDS 5 verwendet
werden.
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Unter
Umständen sind jedoch einige Zeit nach dem Produktionsstart
die ursprünglichen LEDs 5 nicht mehr erhältlich,
sondern nur noch die effizienteren LEDS neuerer Bauart. Damit der
Scheinwerfer 1 in einem solchen Fall trotzdem noch die
gesetzlichen Anforderungen an die Lichtverteilung erfüllt, werden
erfindungsgemäß verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen.
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Gemäß einer
ersten in 1 dargestellten Ausführungsform
ist im Inneren des Scheinwerfergehäuses 2 ein
Sensor 13 zum Erfassen zumindest eines Teils des von dem
Scheinwerfer 1 ausgesandten Gesamt-Lichtstroms angeordnet.
Der Sensor 13 ist bspw. als eine Silizium- oder eine InGaAs-Fotodiode ausgebildet.
Alternativ kann auch ein beliebiger Opto-Elektrowandler als Sensor 13 verwendet
werden. Insbesondere ist vorgeschlagen, dass der Sensor 13 unten
an der Innenseite des Gehäuses 2 zwischen der
Projektionslinse 11 (oder einem anderen optischen Element,
z. B. einer Vorsatzoptik) und der Abdeckscheibe 9 angeordnet
ist. Der Sensor 13 soll zumindest einen Teil des emittierten
Gesamt-Lichtstroms erfassen und ist deshalb auf den die Projektionslinse 11 durchtretenden
Strahlengang gerichtet. Selbstverständlich kann er auch
an einer beliebigen anderen Stelle innerhalb oder außerhalb
des Gehäuses 2 angeordnet sein.
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Der
Sensor 13 erzeugt in Abhängigkeit des erfassten
Teils des Gesamt-Lichtstroms ein Sensorsignal, vorzugsweise einen
Sensorstrom Imess. Der Sensorstrom Imess wird als Ist-Wert einer Reglereinrichtung 15 zugeführt.
Die Reglereinrichtung 15 umfasst vorzugsweise einen PID(Proportional-Integral-Differential)-Regler.
Sie kann integraler Bestandteil eines in oder an dem Scheinwerfer 1 sowieso
vorhandenen Steuer- und/oder Regelgeräts (z. B. zum Umschalten
der Lichtfunktion, zum Betreiben der LEDs 5, etc.) oder
als ein separates Gerät ausgebildet sein. Ein Soll-Wert
für den gewünschten oder vorgegebenen Gesamt-Lichtstrom
kann bspw. in Form eines Sollstroms Isoll ebenfalls
der Reglereinrichtung 15 zugeführt werden. Wichtig
ist, dass als Soll-Wert nicht ein Stromwert für den Lampenstrom,
sondern ein Wert für die Helligkeit des von der Beleuchtungseinrichtung 1 ausgesandten
Lichts vorgegeben wird. Der Soll-Wert kann von außen vorgegeben
werden, bspw. anhand eines Potentiometers, oder aber aus einem Speicher
der Reglereinrichtung 15 ausgelesen werden, wo der Soll-Wert
zuvor, bspw. am Ende der Produktion, abgelegt worden ist. Die Reglereinrichtung 15 ermittelt
in Abhängigkeit von dem Ist-Wert Imess und
dem Soll-Wert Isoll eine Stellgröße,
bspw. in Form eines Ansteuerstroms I5 für
die Lichtquellen 5. Der entsprechende Regelkreis wird nachfolgend
anhand der 2 näher erläutert.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild der vorgeschlagenen Regelung der Helligkeit
der Beleuchtungseinrichtung 1. Der Regler 15,
die Halbleiterlichtquellen 5 als Regelstrecke und der Sensor 13 in
einer Rückführung bilden einen geschlossenen Regelkreis.
Der Sensor 13 ist beispielsweise optoelektrischer Wandler
in Form einer Fotodiode. Diese erfasst zumindest einen Teil des
aus der Beleuchtungseinrichtung 1 austretenden Lichtstroms.
Der Lichtstrom wird durch die Regelgröße y repräsentiert
und wird von dem Sensor 13 in ein entsprechendes Stromsignal
Imess umgewandelt. Anhand des erfassten
Anteils des Lichtstroms kann der von der Beleuchtungseinrichtung 1 ausgesandte
Gesamt-Lichtstrom ermittelt werden. Das Stromsignal Imess stellt
den Ist-Wert des Gesamt-Lichtstroms dar. Diese Messgröße
Imess wird mit dem Soll-Wert, der Führungsgröße
Isoll, verglichen. Die sich aus diesem Vergleich
ergebende Regeldifferenz d wird von der Reglereinrichtung 15 weiterverarbeitet.
Aufgabe der Reglereinrichtung 15 ist es, die Regeldifferenz
d zu minimieren und die Helligkeit des Gesamt-Lichtstroms auf den
geforderten Soll-Wert zu regeln. Zu diesem Zweck ermittelt die Reglereinrichtung 15 eine
Stellgröße u in Form eines Ansteuerstroms für
die LEDs 5.
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Da
die Halbleiterlichtquellen 5 häufig nur mit einem
Nennstrom betrieben werden können bzw. nur unter Beaufschlagung
mit dem Nennstrom die angegebenen Eigenschaften (z. B. Farbe des
emittierten Lichts) haben, kann der Ansteuerstrom für die
LEDs 5 im Rahmen der Regelung unter Umständen
nicht einfach kontinuierlich variiert werden. In einem solchen Fall
kann eine Variation des Ansteuerstroms mittels Pulsweitenmodulation
abhelfen. Dabei wird der Strom für die LEDs 5 mit
einem bestimmten Tastverhältnis zwischen Null Ampere und
dem Nennstrom hin- und hergeschaltet, so dass sich im zeitlichen
Mittel rechnerisch ein bestimmter Ansteuerstromwert zwischen Null
und dem Nennstrom ergibt. Gleichzeitig werden die LEDs 5 aber – wenn
sie betrieben werden – ausschließlich mit dem
Nennstrom beaufschlagt. Folglich erzeugen die LEDs 5 Licht
der unter Nennstrom erzeugten Farbe, allerdings mit reduziertem
Lichtstrom. Insgesamt sendet die Beleuchtungseinrichtung 1 also
Licht mit reduzierter Helligkeit aus.
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Die
Reglereinrichtung 15 speist die Halbleiterlichtquellen 5 mit
einem pulsweitenmodulierten Versorgungsstrom u. Im Rahmen der Pulsweitenmodulation
wechselt der Strom u zwischen zwei Werten, wobei das Verhältnis
von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer die mittlere Stromzufuhr an
die Halbleiterlichtquellen 5 bestimmt. Je länger
also die Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit ist,
umso höher die mittlere Leistung und desto größer
der emittierte Gesamt-Lichtstrom der Beleuchtungseinrichtung 1.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Beleuchtungseinrichtung 1 in Form eines Projektionssystems
dargestellt. Dabei ist im Strahlengang zwischen der Blendenanordnung 4 und
der Projektionslinse 11, alternativ zwischen der Projektionslinse 11 und
der Abdeckscheibe 9, ein elektrisch ansteuerbares Filterelement 17 angeordnet.
Das Filterelement 17 hat variable Filtereigenschaften,
die abhängig sind von der elektrischen Ansteuerung, und
absorbiert je nach eingestelltem Absorptionsgrad mehr oder weniger
Licht. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist also die Stellgröße
nicht der Lampenstrom, sondern ein Ansteuerstrom I17 für
das Filterelement 17. Wichtig ist, dass der Sensor 13 im Strahlengang
nach dem Filterelement 17 angeordnet ist, so dass er eine Änderung
der Helligkeit des von der Beleuchtungseinrichtung 1 ausgesandten
Gesamt-Lichts aufgrund einer Variation der Filtereigenschaften des
Filterelements 17 erfassen kann. Es wäre als weitere
Alternative auch möglich, ein Filterelement 17 im
Strahlengang zwischen der Lichtquelle 5 und der Blende 14 anzuordnen.
Ebenfalls denkbar wäre die Integration des Filterelements 17 in
die Projektionslinse 11. Es wäre sogar denkbar,
die Abdeckscheibe 9 und das Filterelement 17 als
ein integrales Bauteil auszubilden. Dabei müsste dann allerdings
der Sensor 13 außerhalb des Gehäuses 2,
vor oder auf der Abdeckscheibe 9 angeordnet werden. Schließlich
könnte die Ausführungsform aus 3 mit
ansteuerbarem Filterelement 17 auch mit der Ausführungsform
aus 1 mit variablem Lampenstrom für die LEDs 5 kombiniert
werden. Auch mit Hilfe des Filterelements 17a kann der
von der Beleuchtungseinrichtung 1 emittierte Gesamt-Lichtstrom selbst
beim Einsatz effizienterer LEDs 5 auf dem vorgegebenen
Soll-Wert konstant gehalten werden.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Beleuchtungseinrichtung 1 in Form eines Reflexionssystems.
Die Beleuchtungseinrichtung 1 umfasst eine Lichtquelle 5,
die eine oder mehrere LEDs umfasst und zum Aussenden von Licht,
vorzugsweise in einem für das menschliche Auge sichtbaren
Wellenlängenbereich, dient. Des weiteren ist ein Reflektor 3 vorgesehen,
der die Form eines Rotationsparaboloids oder eine davon abweichende
Freiform aufweist. Der Reflektor 3 dient zum Reflektieren
der von den LEDs 5 ausgesandten Strahlen. Zumindest ein
Teil der reflektierten Lichtstrahlen und unter Umständen
auch unmittelbar von den LEDs 5 ausgesandte Lichtstrahlen
gelangen durch die Abdeckscheibe 9 auf die Fahrbahn und
bewirken dort eine gewünschte Lichtverteilung. Die gewünschte
Lichtverteilung kann alleine durch ein Zusammenwirken der LEDS 5 und
der Reflexionsfläche des Reflektors 3 erzielt
werden. In diesem Fall kann die Abdeckscheibe 9 ohne optisch
wirksame Elemente (z. B. Prismen, Zylinder, etc.) ausgebildet sein. Alternativ
können auf der Abdeckscheibe 9 aber auch optisch
wirksame Elemente vorhanden sein, die Einfluss auf die resultierende
Lichtverteilung haben und durch welche die hindurchtretenden Lichtstrahlen
abgelenkt, vorzugsweise horizontal gestreut, werden.
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Erfindungsgemäß ist
ein Sensor 13 zum Erfassen zumindest eines Teils des Gesamt-Lichtstroms
des Scheinwerfers 1 vorgesehen. Wie bereits für
das Ausführungsbeispiel aus 1 beschrieben, wird
in einer Reglereinrichtung 15 anhand eines von dem Sensor 13 erfassten
Messsignals Imess und eines vorgegebenen
Soll-Werts Isoll eine Stellgröße
I5 für den Lampenstrom ermittelt.
Alternativ oder zusätzlich ist im Strahlengang des reflektierten
Lichts ein elektrisch ansteuerbares Filterelement 17 mit
variablem Absorptionsgrad angeordnet.
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In 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Beleuchtungseinrichtung 1 in Form eines PES-Scheinwerfers
dargestellt. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die obigen Ausführungen
bezüglich der Ausführungsbeispiele aus 1 und 3 verwiesen.
Bei der Ausführungsform aus 5 wird auf
den Einsatz des Sensors 13 zum Erfassen des Gesamt-Lichtstroms
bzw. eines Teils davon verzichtet. Die Verstelleinrichtung 15 ist
nicht als eine Reglereinrichtung, sondern als Steuereinrichtung
ausgebildet. Statt des Sensors 13 wird der Einrichtung 15 eine
Information bezüglich des Lichtstrom-Bins, dem die verwendeten
LEDS 5 zugeordnet sind, bspw. in Form eines Stromwerts
Ibin zugeführt. Dies kann entweder
automatisch anhand einer automatischen Detektion des Bins der verwendeten
LEDS 5 oder aber manuell erfolgen. Eine automatische Detektion
könnte bspw. anhand eines neben einer oder mehreren LEDS 5 angeordneten
Sensors realisiert werden, der den von den LEDS 5 ausgesandten
Lichtstrom und damit den Bin ermittelt, dem die verwendeten LEDs
zugeordnet sind. So sind bspw. ein Bin 1 für LEDS 5 mit
einem Lichtstrom von 100 Lumen [lm] bis 150 lm, ein Bin 2 für
LEDS 5 mit einem Lichtstrom von 150 lm bis 200 lm usw.
denkbar.
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In
Abhängigkeit von dem Lichtstrom-Bin, dem die LEDS 5 zugeordnet
sind, wird dann ein Ansteuersignal I5 für
den Lampenstrom ermittelt und den LEDS 5 zugeführt.
Der einem bestimmten Lichtstrom-Bin entsprechende Ansteuerwert ist
bspw. in einem Speicher der Steuereinrichtung 15 abgelegt. Da
effizientere LEDS 5 einem anderen Lichtstrom-Bin zugeordnet
sind als weniger effiziente LEDS, kann die Helligkeit des von der
Beleuchtungseinrichtung 1 ausgesandten Gesamt-Lichts mit
dieser Ausführungsform auf einfache Weise auf den vorgegebenen
konstanten Wert eingestellt werden.
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In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Beleuchtungseinrichtung 1 in Form eines PES-Scheinwerfers
dargestellt. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die obigen Ausführungen
bezüglich der Ausführungsbeispiele aus den 1, 3 und 5 verwiesen.
Bei der Ausführungsform aus 6 ist an
einer beliebigen Stelle im Strahlengang zwischen Lichtquelle 5 und Lichtverteilung
auf der Fahrbahn ein optisches Element 18 angeordnet, welches
eine Verringerung des Lichtstroms des Scheinwerfers 1 bewirkt.
Dies kann bspw. dadurch erzielt werden, dass das optische Element 18 auf
einer oder mehreren seiner Oberflächen zumindest bereichsweise
eingefärbt, mattiert und/oder lackiert ist. In dem Ausführungsbeispiel
aus 6 ist das Element 18 als eine ebene transparente Scheibe
aus Kunststoff oder Glas ausgebildet, die zwischen Reflektor 3 und
Blende 4 angeordnet ist. Auf einer dem Reflektor 3 zugewandten
Oberfläche des Elements 18 ist eine Färbung,
Mattierung und/oder Lackierung 19 aufgebracht. Diese ist
so ausgebildet, dass ein Teil des reflektierten Lichts absorbiert
wird und nicht an der Erzeugung des Gesamt-Lichtstroms beteiligt
ist. Dadurch kann bei Verwendung effizienterer LEDs 5 durch
Einfügen des optischen Elements 18 in den Strahlengang
eine Reduzierung des Gesamt-Lichtstroms auf den vorgegebenen Wert
erzielt werden. Statt zwischen Reflektor 3 und Blende 4 kann
das optische Element 18 auch zwischen einer oder mehreren
LEDs 5 und dem Reflektor 3, zwischen der Blende 4 und
der Projektionslinse 11 oder zwischen der Projektionslinse 11 und der
Abdeckscheibe 9 angeordnet sein. Es ist sogar denkbar,
die Projektionsscheibe 11 selbst und/oder die Abdeckscheibe 9 selbst
als optisches Element im Sinne dieser Ausführungsform zu
nutzen. Zu diesem Zweck müsste auf eine oder mehrere Oberflächen der
Linse 11 oder der Scheibe 9 eine farbige, mattierte
bzw. lackierte Beschichtung aufgebracht werden.
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In 7 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Beleuchtungseinrichtung 1 in Form eines PES-Scheinwerfers
dargestellt. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die obigen Ausführungen
bezüglich der Ausführungsbeispiele aus den 1, 3, 5 und 6 verwiesen. Bei
der Ausführungsform aus 7 ist ein
optisches Element in Form der Projektionslinse 11 längs
einer optischen Achse 7 des Systems 1 verschiebbar.
Dadurch kann die Effizienz des optischen Elements und damit der
gesamten Beleuchtungseinrichtung 1 und der resultierende
Lichtstrom verringert werden. Als optisches Element im Sinne dieser
Ausführungsform könnte auch ein Lichtleiter o. ä.
eingesetzt werden. Die translatorische Bewegung des optischen Elements 11 kann
mittels geeigneter Aktoren und entsprechender Ansteuerelektronik
realisiert werden. Der Abstand d kann entweder in Abhängigkeit
von dem Lichtstrom-Bin der verwendeten LEDs 5 am Bandende
fest oder aber während des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung 1 in
Abhängigkeit eines mittels eines Sensors ermittelten Gesamt-Lichtstroms variabel
eingestellt werden. Zu diesem Zweck wäre allerdings ein
Sensor (ähnlich dem Sensor 13 aus den 1, 3 und 4)
sowie eine geeignete Steuer- bzw. Reglereinrichtung (ähnlich
der Einrichtung 15 aus den 1, 3 und 4)
erforderlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10009782
A1 [0002]
- - DE 10329367 A1 [0004]